Устройство формирования двухканального широтно-модулированного сигнала Российский патент 2017 года по МПК H03K7/08 H03K4/50 

Предлагаемое изобретение относится к импульсной технике, а именно широтно-импульсным модуляторам, и может быть использовано в стабилизированных источниках вторичного электропитания, системах управления электрическими машинами, устройствах измерительной техники и автоматики.

Известен линейный широтно-импульсный преобразователь с двумя выходами на цифровых микросхемах - триггере Шмитта и двух инверторах, где расширение функциональных возможностей схем на триггерах Шмитта, упрощение конструкции и повышение надежности достигается за счет введения внешнего делителя напряжения, который позволяет сместить диапазон входного напряжения, не затрагивая фиксированные параметры триггера Шмитта [1].

Устройство, реализующее известный способ, содержит (фиг. 1) входной резистор 1, хронирующий конденсатор 2, резистор обратной связи 3, триггер Шмитта 4, инвертор 5, выход которого является первым выходом схемы для условия, когда крутизна функции преобразования на линейном участке K>0, инвертор 6, выход которого является вторым выходом схемы для условия, когда крутизна функции преобразования на линейном участке K<0, транзистор 7, работающий в режиме ключа и делитель напряжения на резисторах 8, 9.

Недостатками известного устройства являются невысокая линейность пилообразного напряжения, низкая термостабильность из-за полупроводниковых элементов, а также узкий диапазон регулирования и влияние отклонений входного напряжения на пороги срабатывания триггера Шмитта.

Целью изобретения является расширение диапазона регулирования, повышение качества стабилизации напряжения (тока) за счет повышения температурной стабильности.

Поставленная цель достигается тем, что формируется широтно-модулированный сигнал управления, пропорциональный величине постоянной составляющей тока обратной связи I_ОС, который изменяет угол наклона α пилообразного напряжения U_C на конденсаторе (фиг. 2). Ширина импульсного сигнала t_И=U_C⋅C/I_OC определяется длительностью нарастания пилообразного напряжения до момента достижения значения эталонного напряжения U_ЭТ.

На фиг. 3 представлена функциональная схема устройства формирования двухканального широтно-модулированного сигнала. Устройство состоит из преобразователя напряжения обратной связи U_OC в ток I_OC, выполненного на операционном усилителе 2, резисторе 1, МДП-транзисторе 4, которые обеспечивают высокий коэффициент усиления и термостабильность. Параметрический стабилизатор тока выполнен на МДП-транзисторе 5 и обеспечивает постоянство зарядного тока конденсатора 11, инверторы напряжения на МДП-транзисторах 6, 7 и 9, 10 обеспечивают изменение направления тока конденсатора 11. При этом конденсатор 11 включен между стоками МДП-транзисторов 7 и 10. Для создания двухканального выходного ШИМ сигнала формируется фазовый сдвиг 180° на затворах МДП-транзисторов 9, 10 посредством инвертора 8. Частота широтно-модулированного сигнала задается внешним тактовым генератором, а длительность регулируется величиной тока заряда конденсатора 11 и ограничивается эталонным напряжением U_ЭТ.

Принцип работы схемы состоит в следующем: напряжение обратной связи поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя 2, которое равно напряжению на резисторе 1. Заряд конденсатора 11 осуществляется от источника питания U_П через МДП-транзисторы 5, 6, далее 11, МДП-транзистор 10 и на землю. Перезаряд конденсатора 11 протекает по контуру: +U_П, элементы 5, 9, 11, 7 и на землю. Широтно-модулированный сигнал формируется на выходе компараторов напряжения 12, 13 с фазовым сдвигом 180° (Выход 1 и Выход 2).

Качество пилообразного напряжения на конденсаторе 11 характеризуется коэффициентом нелинейности ε=t_ПР/(R_ЭС), где R_Э -сопротивление между стоком и истоком МДП-транзисторов 5, 6 и 10 (5, 9 и 7), t_ПР - время заряда конденсатора 11 (фиг. 2). В классических схемах формирователей высокую степень линейности пилообразного напряжения (малое ε) можно получить при U_П>>U_ЭТ посредством повышения напряжения питания. Это приводит к плохому использованию напряжения источника питания (низкий коэффициент использования напряжения источника питания ζ=U_ЭТ/U_П). В предлагаемом устройстве линейность пилообразного напряжения обеспечивается посредством стабилизации тока заряда конденсатора 11, а стабильность этого тока может быть очень высокой и определяется коэффициентом передачи операционного усилителя 2.

Проверка устройства формирования двухканального широтно-модулированного сигнала (фиг. 3) проведена посредством моделирующей программы Electronics Workbench [2] по разработанной математической модели, представленной на фиг. 4, а. Временные зависимости пилообразного напряжения и сигнала управления (фиг. 4, б) получены в рамках выполнения ОКР по техническому заданию ФГУП «НЗПП с ОКБ». Результаты исследований показали, что по сравнению с известными микросхемами широтно-импульсных модуляторов [3] возрастает линейность пилообразного напряжения (фиг. 5) при коэффициенте нелинейности ε≈0,01. Предельное значение коэффициента заполнения сигналов управления γ=t_И/0,5T увеличивается до 0,95 [4]. Частота преобразования определяется предельной частотой работы МДП-транзисторов и составляет около 1 МГц.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Жуган, Л.Д. Линейный широтно-импульсный преобразователь с двумя выходами на цифровых микросхемах - триггере Шмитта и двух инверторах [Текст] / Л.Д. Жуган, В.Н. Матвеев // Патент РФ №2409891, 2009.

2. Хернитер, Марк Е. Electronics Workbench Multisim [Текст] / М.Е. Хернитер. - М.: Издательский дом ДМК пресс, 2006. - 488 с.

3. Бербенец, А. Микросхемы Infineon [Текст] / А. Бербенец // Силовая электроника. - 2006. - №1. - С. 50-53.

4. Разработка и освоение производства радиационно-стойкой микросхемы двухполярного DC-DC преобразователя [Текст]: закл. отчет по ОКР / НЗПП с ОКБ; рук. Глухов А.В. - Новосибирск, 2012. - 109 с. - Исполн.: Сазонов А.А., Зенцова С.А., Комлев A.M. - №ГР У92378. - Инв. №628/3.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в стабилизированных источниках вторичного электропитания, системах управления электрическими машинами, устройствах измерительной техники и автоматики. Технический результат заключается в повышении качества стабилизации напряжения и тока за счет повышения температурной стабильности. Поставленная цель достигается тем, что формируется широтно-модулированный сигнал управления, пропорциональный величине постоянной составляющей тока обратной связи, который изменяет угол наклона пилообразного напряжения на конденсаторе. Ширина импульсного сигнала определяется длительностью нарастания пилообразного напряжения до момента достижения значения эталонного напряжения. Устройство формирования двухканального широтно-модулированного сигнала состоит из преобразователя напряжения обратной связи в ток, выполненного на операционном усилителе, резисторе, МДП-транзисторе, которые обеспечивают высокий коэффициент усиления и термостабильность. 5 ил.

Устройство формирования двухканального широтно-модулированного сигнала, содержащее преобразователь измеряемого напряжения обратной связи в ток, включающий операционный усилитель с входным резистором и МДП-транзистором, параметрический стабилизатор тока на МДП-транзисторе, формирователь пилообразного напряжения, выполненный на конденсаторе с инверторами напряжения, тактовым генератором, и компараторы напряжения, отличающееся тем, что широтно-модулированный сигнал управления формируется в зависимости от величины тока заряда конденсатора цепи обратной связи, который изменяет угол наклона пилообразного напряжения на конденсаторе, а ширина импульсного сигнала определяется длительностью нарастания пилообразного напряжения до момента достижения заданного значения эталонного напряжения, в преобразователе напряжения цепи обратной связи в ток на прямой вход операционного усилителя подается напряжение обратной связи, инверсный вход соединен с землей через резистор, а также с истоком МДП-транзистора и затвором МДП-транзистора параметрического стабилизатора тока, выход операционного усилителя присоединен к затвору МДП-транзистора преобразователя напряжения обратной связи в ток, на сток которого и истоки обоих МДП-транзисторов подается питающее напряжение, в инверторах напряжения затворы пар МДП-транзисторов соединены между собой, при этом затворы первой пары подключены к выходу тактового генератора, а второй пары - через инвертор, формирующий фазовый сдвиг 180° на затворах МДП-транзисторов второго инвертора напряжения, в каждой паре инверторов стоки МДП-транзисторов соединены между собой и между ними подключен конденсатор, выводы которого присоединены ко входам компараторов напряжения, на другой вход компараторов подается эталонное напряжение, а исток первого инвертора напряжения присоединен к стоку транзистора параметрического стабилизатора тока, а также к истоку транзистора преобразователя напряжения обратной связи в ток второго инвертора напряжения, исток второго транзистора которого присоединен к земле, причем частота широтно-модулированного сигнала задается внешним тактовым генератором, а длительность регулируется величиной тока цепи обратной связи.